Жидкость

Определение "Жидкость" в Большой Советской Энциклопедии

Радиальная функция

Жидкость, агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным состояниями. Жидкость, сохраняя отдельные черты как твёрдого тела, так и газа, обладает, однако, рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее характерная — текучесть. Подобно твёрдому телу, Жидкость сохраняет свой объём, имеет свободную поверхность, обладает определённой прочностью на разрыв при всестороннем растяжении и т. д. С другой стороны, взятая в достаточном количестве Жидкость принимает форму сосуда, в котором находится. Принципиальная возможность непрерывного перехода Жидкость в газ также свидетельствует о близости жидкого и газообразного состояний.

По химическому составу различают однокомпонентные, или чистые. Жидкость и двух- или многокомпонентные жидкие смеси (растворы). По физической природе Жидкость делятся на нормальные (обычные), жидкие кристаллы с сильно выраженной анизотропией (зависимостью свойств от направления) и квантовые жидкости — жидкие ⁴He, ³He и их смеси — со специфическими квантовыми свойствами при очень низких температурах. Нормальные чистые Жидкость имеют только одну жидкую фазу (т. е. существует один единственный вид каждой нормальной Жидкость). Гелий ⁴He может находиться в двух жидких фазах — нормальной и сверхтекучей, а жидкокристаллические вещества — в нормальной и одной или даже двух анизотропных фазах.

Общим для всех нормальных Жидкость, в том числе и для смесей, является их макроскопическую однородность И изотропность при отсутствии внешних воздействий. Эти свойства сближают Жидкость с газами, но резко отличают их от анизотропных кристаллических твёрдых тел. Аморфные твёрдые тела (например, стекла), с современной точки зрения, являются переохлажденными Жидкость (см. Аморфное состояние) и отличаются от обычных Жидкость только численными значениями кинетических характеристик (существенно большей вязкостью и др.). Область существования нормальной жидкой фазы ограничена со стороны низких температур фазовым переходом в твёрдое состояние — кристаллизацией или (в зависимости от величины приложенного давления) фазовым переходом в сверхтекучее состояние для ⁴He и в жидко-анизотропное состояние для жидких кристаллов. При давлениях ниже критического давления р_к нормальная жидкая фаза ограничена со стороны высоких температур фазовым переходом в газообразное состояние — испарением. При давлениях р > р_к фазовый переход отсутствует и по своим физическим свойствам Жидкость в этой области неотличима от плотного газа. Наивысшая температура T_k, при которой ещё возможен фазовый переход Жидкость — газ, называется критической. Значения p_k  и T_k определяют критическую точку чистой Жидкость, в которой свойства Жидкость и газа становятся тождественными. Наличие критической точки для фазового перехода Жидкость — газ позволяет осуществить непрерывный переход из жидкого состояния в газообразное, минуя область, где газ и Жидкость сосуществуют (см. Критическое состояние). Т. о., при нагревании или уменьшении плотности свойства Жидкость (теплопроводность, вязкость, самодиффузия и др.), как правило, меняются в сторону сближения со свойствами газов. Вблизи же температуры кристаллизации большинство свойств нормальных Жидкость (плотность, сжимаемость, теплоёмкость, электропроводность и т. д.) близки к таким же свойствам соответствующих твёрдых тел. В табл. приведены значения теплоёмкости при постоянном давлении (С_р) ряда веществ в твёрдом и жидком состояниях при температуре кристаллизации. Малое различие этих теплоёмкостей показывает, что тепловое движение в Жидкость и твёрдых телах вблизи температуры кристаллизации имеет примерно одинаковый характер.
Теплоёмкость некоторых веществ [в дж/(кг·К)], при температуре кристаллизации

	Na	Hg	Pb	Zn	Cl	NaCl
Ср, тв.	1382	138	146	461	620	1405
Ср, ж.	1386	138	155	542	1800	1692

  Молекулярная теория Жидкость По своей природе силы межмолекулярного взаимодействия в Жидкость и кристаллах одинаковы и имеют примерно одинаковые величины. Наличие в Жидкость сильного межмолекулярного взаимодействия обусловливает, в частности, существование поверхностного натяжения на границе Жидкость с любой др. средой. Благодаря поверхностному натяжению Жидкость стремится принять такую форму, при которой её поверхность (при данном объёме) минимальна. Небольшие объёмы Жидкость имеют обычно характерную форму капли. В отсутствии внешних сил, когда действуют только межмолекулярные силы (например, в условиях невесомости), Жидкость приобретает форму шара. Влияние поверхностного натяжения на равновесие и движение свободной поверхности Жидкость, границ Жидкость с твёрдыми телами или границ между несмешивающимися Жидкость относится к области капиллярных явлений.

  Фазовое состояние вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры Т и давления р. Характерной определяющей величиной является зависящее от температуры и давления отношение e(Т, р) средней потенциальной энергии взаимодействия молекул к их средней кинетической энергии. Для твёрдых тел e (Т, р) >> 1; это значит, что силы межмолекулярного взаимодействия велики и удерживают молекулы (атомы, ионы) вблизи равновесных положений — узлов кристаллической решётки, несмотря на тепловое движение частиц. В твёрдых телах тепловое движение имеет характер коллективных колебаний атомов (ионов) около узлов кристаллической решётки.

В газах осуществляется обратный предельный случай e (Т, р) << 1; силы притяжения между молекулами недостаточны, чтобы удержать их вблизи друг от друга, вследствие чего положения и скорости молекул распределены почти хаотически.

Для Жидкость e (Т, р)~1: интенсивности упорядочивающих межмолекулярных взаимодействий и разупорядочивающего теплового движения молекул имеют сравнимые значения, чем и определяется вся специфичность жидкого состояния вещества. Тепловое движение молекул в неметаллических Жидкость состоит из сочетания коллективных колебательных движений того же типа, что и в кристаллических телах, и происходящих время от времени скачков молекул из одних временных положений равновесия (центров колебаний) в другие. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии активации, достаточной для разрыва её связей с окружающими молекулами и перехода в окружение др. молекул. В результате большого числа таких скачков молекулы Жидкость более или менее быстро перемешиваются (происходит самодиффузия, которую можно наблюдать, например, методом меченых атомов). Характерные частоты скачков составляют ~10¹¹—10¹² сек^-—1 для низкомолекулярных Жидкость, много меньше для высокомолекулярных, а в отдельных случаях, например для сильно вязких Жидкость и стекол, могут оказаться чрезвычайно низкими. При наличии внешней силы, сохраняющей своё направление более длительное время, чем интервалы между скачками, молекулы перемещаются в среднем в направлении этой силы. Т. о., статические или низкочастотные механические воздействия приводят к проявлению текучести Жидкость как суммарному эффекту от большого числа молекулярных переходов между временными положениями равновесия. При частоте воздействий, превышающей характерные частоты молекулярных скачков, у Жидкость наблюдаются упругие эффекты (например, сдвиговая упругость), типичные для твёрдых тел. Однородность и изотропность нормальных Жидкость молекулярная теория Жидкость объясняет отсутствием у них дальнего порядка во взаимных положениях и ориентациях молекул (см. Дальний порядок и ближний порядок). Положения и ориентации двух или более молекул, расположенных далеко друг от друга, оказываются статистически независимыми. В идеальном кристаллическом теле, как правило, существует «жёсткий» дальний порядок в расположении и ориентации молекул (атомов, ионов). В жидком кристалле дальний порядок наблюдается лишь в ориентации молекул, но он отсутствует в их расположении.

Жидкость иногда разделяют на неассоциированные и ассоциированные, в соответствии с простотой или сложностью их термодинамических свойств. Предполагается, что в ассоциированных Жидкость есть сравнительно устойчивые группы молекул — комплексы, проявляющие себя как одно целое. Существование подобных комплексов в некоторых растворах доказывается прямыми физическими методами. Наличие устойчивых ассоциаций молекул в однокомпонентных Жидкость недостоверно.

Основой современных молекулярных теорий жидкого состояния послужило экспериментальное обнаружение в Жидкость ближнего порядка — согласования (корреляции) во взаимных положениях и ориентациях близко расположенных групп, состоящих из 2, 3 и большего числа молекул. Эти статистической корреляции, определяющие молекулярную структуру жидкости, простираются на область протяжённостью порядка несколько межатомных расстояний и быстро исчезают для далеко расположенных друг от друга частиц (отсутствие дальнего порядка). Структурные исследования реальных Жидкость, позволившие установить эту особенность жидкого состояния, производятся методами рентгеновского структурного анализа и нейтронографии.

  По структуре и способам их описания Жидкость делят на простые и сложные. К первому сравнительно малочисленному классу относят однокомпонентные атомарные жидкости. Для описания свойств таких Жидкость достаточно указать лишь взаимное расположение атомов. К этому классу Жидкость относятся жидкие чистые металлы, сжиженные инертные газы и (с некоторыми оговорками) Жидкость с малоатомными симметричными молекулами, например CCl₄. Для простых Жидкость результаты рентгено-структурного или нейтронографического анализа могут быть выражены с помощью т. н. радиальной функции распределения g (r) (см. рис.). Эта функция характеризует распределение частиц вблизи произвольно выбранной частицы, т. к. значения g (r) пропорциональны вероятности нахождения двух атомов (молекул) на заданном расстоянии r друг от друга. Ход кривой g (r) наглядно показывает существование определённой упорядоченности в простой Жидкость — в ближайшее окружение каждой частицы входит в среднем определённое число частиц. Для каждой Жидкость детали функции g (r) незначительно меняются с изменением температуры и давления. Расстояние до первого пика определяет среднее межатомное расстояние, а по площади под первым пиком можно восстановить среднее число соседей (среднее координационное число) атома в Жидкость В большинстве случаев эти характеристики вблизи линии плавления оказываются близкими к кратчайшему межатомному расстоянию и координационному числу в соответствующем кристалле. Однако, в отличие от кристалла, истинное число соседей у частицы и истинное межатомное расстояние в Жидкость являются не постоянными числами, а случайными величинами, и по графику g (r) устанавливаются лишь их средние значения.

При сильном нагревании Жидкость и приближении к газовому состоянию ход функции g (r) постепенно сглаживается соответственно уменьшению степени ближнего порядка. В разреженном газе g (r)»1.

  Для сложных Жидкость п для жидких смесей расшифровка рентгенограмм более сложна и во многих случаях полностью не может быть осуществлена. Исключение составляет вода и некоторые др. низкомолекулярные Жидкость, для которых имеются довольно полные исследования и описания их статистической структуры.

Теория кинетических и динамических свойств Жидкость (диффузии, вязкости и т. д.) разработана менее полно, чем равновесных свойств (теплоёмкости и др.). Динамическая теория жидкого состояния весьма сложна и пока не получила достаточного развития. В теории Жидкость большое развитие получили численные методы, позволяющие рассчитывать свойства простых Жидкость с помощью быстродействующих вычислительных машин. Наибольший интерес представляет метод молекулярной динамики, непосредственно моделирующий на вычислительной машине совместное тепловое движение большого числа молекул при заданном законе их взаимодействия и по прослеженным траекториям многих отдельных частиц восстанавливающий все необходимые статистические сведения о системе. Таким путём получены точные теоретические результаты относительно структуры и термодинамических свойств простых неметаллических Жидкость Отдельную и ещё не решенную проблему составляет вопрос о структуре и свойствах простых Жидкость в непосредственной окрестности критической точки. Некоторые успехи были здесь достигнуты в последнее время методами теории подобия. В целом проблема критических явлений для чистых Жидкость и смесей остаётся ещё недостаточно выясненной.

Отдельную проблему составляет вопрос о структуре и свойствах жидких металлов, на которые значительное влияние оказывают имеющиеся в них коллективизированные электроны. Несмотря на некоторые успехи, полной электронной теории жидких металлов ещё не существует. Значительные (пока ещё не преодоленные) трудности встретились при объяснении свойств жидких полупроводников.

Основные направления исследований жидкого состояния. Многочисленные макроскопические свойства Жидкость изучаются и описываются методами различных разделов механики, физики и физической химии. Равновесные механические и тепловые свойства Жидкость (сжимаемость, теплоёмкость и др.) изучаются термодинамическими методами. Важнейшей задачей является нахождение уравнения состояния для давления и энергии как функции от плотности и температуры, а в случае растворов — и от концентраций компонентов. Знание уравнения состояния позволяет методами термодинамики установить многочисленные связи между различными механическими и тепловыми характеристиками Жидкость Имеется большое количество эмпирических, полуэмпирических и приближённых теоретических уравнений состояния для различных индивидуальных жидкостей и их групп.

Неравновесные тепловые и механические процессы в Жидкость (например, диффузия, теплопроводность, электропроводность и др.), особенно в смесях и при наличии химических реакций, изучаются методами термодинамики необратимых процессов.

Механические движения Жидкость, рассматриваемых как сплошные среды, изучаются в гидродинамике. Важнейшее значение имеет Навье — Стокса уравнение, описывающее движение вязкой Жидкость У т. н. ньютоновских Жидкость (вода, низкомолекулярные органические Жидкость, расплавы солей и др.) вязкость не зависит от режима течения (в условиях ламинарного течения, когда Рейнольдса число R < R_kpитич.), в этом случае вязкость является физико-химической постоянной, определяемой молекулярной природой Жидкость и её состоянием (температурой и давлением). У неньютоновских (структурно-вязких) Жидкость вязкость зависит от режима течения даже при малых числах Рейнольдса (жидкие полимеры, стекла в интервале размягчения, эмульсии и др.). Свойства неньютоновских Жидкость изучает реология. Специфические особенности течения жидких металлов, связанные с их электропроводностью и лёгкой подверженностью влиянию магнитных полей, изучаются в магнитной гидродинамике. Приложения методов гидродинамики к задачам молекулярной физики жидкостей изучаются в физико-химической гидродинамике.

Лит.: Френкель Я. И., Собрание избранных трудов, т. 3, М., 1959; Фишер И.3., Статистическая теория жидкостей, М., 1961; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, М., 1953; Фабелинский И. Л., Молекулярное рассеяние света, М., 1965; Скрышевский А. Ф., Рентгенография жидкостей, К., 1966; Физика простых жидкостей. Экспериментальные исследования, пер. с англ., М., 1972 [в печати].
  И. З. Фишер.